資源簡介

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專題9
金屬與人類文明
第一單元
金屬的冶煉方法
地殼中蘊含豐富的礦石，人類在尋找石器的漫長過程中認(rèn)識了礦石，在燒陶生產(chǎn)中逐步發(fā)展了煉金術(shù)。礦石中含有豐富的金屬元素，人類在長期的生產(chǎn)實踐中探索出了各種冶煉金屬的化學(xué)方法。早在公元前4 000多，人類就通過煅燒礦石煉銅，以制造各種器皿、工具、兵器和飾品等；商周時期，我國的青銅冶鑄技術(shù)已十分發(fā)達；到了春秋晚期，冶煉鐵的技術(shù)已比較成熟。隨著金屬冶煉的方法越來越先進，人們能夠制備的金屬種類也越來越多，金屬在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用也越來越廣泛。
金屬的存在形式
從青銅器時代開始，人類就開始使用金屬制作各種各樣的工具。與傳統(tǒng)的陶瓷和石器材料相比，金屬材料既有良好的可塑性，堅固耐用，而且還有導(dǎo)電、導(dǎo)熱等諸多優(yōu)良性能，因而具有廣泛的應(yīng)用。大量的金屬元素存在于地殼的礦石中，必須把它們提煉出來，以滿足人類生存和發(fā)展的需要。
自然金
鋁土礦
赤鐵礦
在自然界中，只有少量的金屬元素以游離態(tài)形式存在于地殼中，如自然金和自然銀等。這些礦石中的金屬元素以單質(zhì)形式存在，表現(xiàn)出金屬的特性，通過熔鑄的方法即可對金屬進行加工和鍛造。
地殼中的大部分金屬元素都是以化合態(tài)形式存在的。例如，鐵元素存在于赤鐵礦(主要成分為Fe2O3)中，鋁元素存在于鋁土礦(主要成分為Al2O3)中。這些礦石需要通過化學(xué)方法進行冶煉，才能獲得較為純凈的金屬。除了地殼外，還有一些金屬以離子或礦石的形式分布于海洋中，如鈉、鎂、錳等。
下圖表示金屬活動性順序表中銅、錫、鐵和鋁元素被人類大規(guī)模開發(fā)利用的大致年限。
在漫長的生產(chǎn)、生活實踐中，人們逐步認(rèn)識到金屬的存在形式與其活動性有關(guān)。一般而言，活動性較強的金屬，在自然界以各種各樣的化合態(tài)存在；活動性較弱的金屬，有可能以游離態(tài)形式存在。有的金屬元素的存在形式既有游離態(tài)又有化合態(tài)，如鐵元素有單質(zhì) (主要存在于隕石中)、氧化物和硫酸鹽等存在形式，銀元素有自然銀、輝銀礦(Ag2S)、碲銀礦 (Ag2Te) 等存在形式。
金屬的冶煉
無論原料是開采的礦石，還是從海水中獲取的物質(zhì)，利用化學(xué)反應(yīng)使金屬元素從化合態(tài)變?yōu)橛坞x態(tài)的過程稱為金屬冶煉。金屬冶煉和其他物質(zhì)的制備一樣，需要選擇合適的金屬化合物為原料，利用特定的設(shè)備，在一定條件下通過化學(xué)方法將原料轉(zhuǎn)化為金屬單質(zhì)，并將其分離出來。工業(yè)上常用的金屬冶煉方法有熱分解法、高溫還原法和電解法等。
像銀這樣的不活潑金屬，可以采用熱分解法進行冶煉，即通過加熱它們的氧化物使其分解生成金屬單質(zhì)和氧氣。例如，我們可以通過加熱氧化銀 (Ag2O)的方法來制取金屬銀。
利用金屬化合物與還原劑在高溫下的反應(yīng)，可以制備大部分金屬(如Fe、Zn等)常用的還原劑有C、CO、H2和活潑金屬等。這種高溫下借助還原劑的冶煉方法稱為高溫還原法。
工業(yè)上冶煉鐵的原料是鐵礦石、焦炭和石灰石等，該反應(yīng)在高爐中進行，又被稱為高爐煉鐵。冶煉的基本過程為：從高爐下方通入熱空氣，原料從高爐上方的傳送帶送入爐中，焦炭先與熱空氣中的氧氣反應(yīng)生成二氧化碳，并放出大量的熱；二氧化碳再與灼熱的焦炭反應(yīng)，生成一氧化碳；一氧化碳在高溫下將氧化鐵還原為液態(tài)的金屬鐵，并從高爐下方分離出來。
高爐煉鐵
原料：
鐵礦石、焦炭、石灰石等
設(shè)備：
煉鐵高爐
原理：
高溫下用還原劑將鐵從其化合物中還原出來。
冶煉過程：
還原劑的生成
鐵礦石的還原
爐渣的生成
活動性較強的單質(zhì)鋁也可還原出鐵。將鋁粉和氧化鐵混合，在高溫條件下發(fā)生反應(yīng)，該反應(yīng)能夠放出大量的熱，生成氧化鋁和液態(tài)鐵。該反應(yīng)叫作鋁熱反應(yīng)，工業(yè)上常利用該反應(yīng)原理來焊接鋼軌。
觀察思考
將兩張圓形濾紙分別折疊成漏斗狀，在其中一個紙漏斗的底部剪一個小孔，用水濕潤，再與另一個紙漏斗套在一起，有孔紙漏斗置于內(nèi)層(使紙漏斗每邊都有4層 )，架在鐵架臺的鐵圈上，其下方放置盛有細沙的蒸發(fā)皿或鐵盤。
將5 g干燥的氧化鐵粉末和2 g鋁粉均勻混合后放入紙漏斗中，在混合物的上面加適量氯酸鉀，再在混合物中間插一根鎂條。點燃鎂條，觀察并記錄實驗現(xiàn)象。
鋁熱反應(yīng)裝置圖
實驗原理
實驗現(xiàn)象
實驗結(jié)論
原理應(yīng)用
鋁作還原劑，金屬氧化物作氧化劑，用鋁將氧化物中的金屬轉(zhuǎn)換出來
1.鎂條劇烈燃燒；2.氧化鐵粉末和鋁粉發(fā)生劇烈反應(yīng)；3.反應(yīng)放出大量的熱，并發(fā)出耀眼的白光；4.紙漏斗的下部被燒穿，有熔融物落入沙中。
在高溫下，鋁粉與氧化鐵發(fā)生反應(yīng)，放出大量的熱，反應(yīng)方程式：
1.冶煉熔點較高、活動性弱于Al的金屬，如釩、鉻、錳等；2.金屬焊接，如焊接鋼軌等。
注意:
1.鋁熱反應(yīng)的引燃劑為鎂帶，助燃劑為氯酸鉀；
2.鋁熱劑為混合物，是由鋁粉和某些難熔的金屬氧化物（Fe2O3、Fe3O4、MnO2等）組成；
3.鎂帶要打磨除去表面的氧化膜，否則難以點燃；氧化鐵粉末與鋁粉要選擇干燥的；鋁粉要用沒有被氧化過的，否則難以反應(yīng)；
4.蒸發(fā)皿中的細沙要適量，既要防止蒸發(fā)皿炸裂，又要防止熔融的液體濺出傷人。
某些金屬氧化物(如V2O5、Cr2O3、MnO2等 ) 與氧化鐵化學(xué)性質(zhì)相似，也能發(fā)生鋁熱反應(yīng)生成相應(yīng)的金屬。工業(yè)上常利用鋁熱反應(yīng)來冶煉這些熔點較高的金屬 (如釩、鉻、錳等 )。鋁粉與某些難熔的金屬氧化物(如Fe2O3等 )以一定比例形成的混合物被稱為鋁熱劑。
對于較活潑的金屬(鈉、鎂、鋁等)，一般的還原劑很難將它們從化合物中還原出來，常采用電解熔融化合物的方法來制備這些金屬。
電解法：較活潑的金屬
熔融
拓展視野
鋁的冶煉
鋁元素是地殼中含量最多的金屬元素 ( 約占地殼總量的7.73%)，主要以鋁土礦 (主要成分是Al2O3) 形式存在。要從鋁土礦中提取鋁，首先要獲得純度較高的氧化鋁。主要的工藝流程如下圖所示：
從鋁礦中提取鋁的工藝流程
從上述工藝流程可知，鋁土礦與氫氧化鈉溶液混合時，鋁土礦中的Al2O3與NaOH能發(fā)生反應(yīng)，生成可溶于水的偏鋁酸鈉(NaAlO3)。
將反應(yīng)得到的混合物過濾，除去殘渣，向濾液中通入過量CO2氣體，將其酸化，NaAlO2便轉(zhuǎn)化為Al(OH)3沉淀析出。
將Al(OH)3在高溫下灼燒，即可得到Al2O3。但氧化鋁的熔點高達2 054℃，直接加熱氧化鋁到熔融消耗的能量很大。1886年，美國化學(xué)家霍爾在氧化鋁中添加了冰晶石 (Na3AlF6) ，使氧化鋁熔融溫度降低至950℃ ，從而減少了冶煉過程中的能量消耗。
從礦石中提取人們想要的元素大多需要經(jīng)歷非常復(fù)雜的變化過程，其中最關(guān)鍵的是根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)物選擇合適的化學(xué)反應(yīng)，以實現(xiàn)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化。冶煉得到的金屬有時仍含有較多雜質(zhì)，需要經(jīng)過進一步的精煉提純，以滿足實際使用。在金屬冶煉過程中，必須堅持綠色環(huán)保、循環(huán)利用、節(jié)約成本等原則。
練習(xí)
1.下列說法錯誤的是（ ）
A.工業(yè)上以氯氣和石灰乳為原料制取漂白粉
B.75%(體積分?jǐn)?shù))酒精溶液能使蛋白質(zhì)變性，其消毒效果比無水酒精好
C.鈉是一種強還原劑，可用于制取鈦、鈮等金屬
D.在工業(yè)煉鐵中，焦炭的作用是直接還原鐵礦石
D
2.下列說法錯誤的是（ ）
A.臭氧是飲用水的理想消毒劑之一，因為它殺菌能力強且不影響水質(zhì)
B.在食品包裝袋內(nèi)放入鐵系保鮮劑可以防止食品因氧化而變質(zhì)
C.因鋁制品表面有致密的氧化膜保護層，故可長時間盛放咸菜等腌制食品
D.工業(yè)上，二氧化硫可用于漂白紙漿以及草帽等編織物
C
3.甲、乙兩只燒杯中各盛有100 mL 6 mol/L的鹽酸和NaOH溶液，向兩只燒杯中分別加入等質(zhì)量的鋁粉，反應(yīng)結(jié)束后測得生成的氣體的體積比為V(甲)∶V(乙)=1∶2，則加入鋁粉的質(zhì)量為( )
A.10.8 g B.3.6 g C.5.4 g D.1.8 g
A
4.下列有關(guān)工業(yè)生產(chǎn)的敘述正確的是( )
A.合成氨生產(chǎn)過程中將NH3液化分離，可加快正反應(yīng)速率，提高N2、H2的轉(zhuǎn)化率
B.從海水中可以得到NaCl，工業(yè)冶煉金屬鈉可以通過電解NaCl飽和溶液獲得
C.電解精煉銅時，同一時間內(nèi)陽極溶解銅的質(zhì)量比陰極析出銅的質(zhì)量小
D.電解飽和食鹽水制燒堿，采用離子交換膜法，可防止陰極室產(chǎn)生的Cl2進入陽極室
C
5.下列說法錯誤的是（ ）
A.常溫下，鐵在濃硫酸中發(fā)生鈍化，可用鐵槽車貯運濃硫酸
B.金屬銅具有良好的導(dǎo)電性，可用來制作導(dǎo)線
C.MgO的熔點很高，可用做耐高溫材料
D.SO2具有漂白性，可用于木耳食品的漂白
D
完成課后相關(guān)練習(xí)
謝謝觀看
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